本发明专利技术公开了一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，属于视觉导航领域。本发明专利技术方法依据结构简单、便于识别、具有方向引导性、仿射变换条件下便于准确定位的原则设计了合作目标的形状、尺寸、颜色、位置布置以及辐射波段和功率，使得合作目标便于识别和定位；然后设计了合作目标识别方案，包括：5000米远距离舰艇位置探测、1000米中距离跑道平面定位、500米近距离着舰位置定位。采用本发明专利技术方法能提高无人机自主着舰的安全性和成功率，且设计的合作目标便于识别、定位，鲁棒性高，利用计算机视觉可快速识别合作目标实现无人机自主着舰。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于视觉导航
，具体涉及。
技术介绍
在导航
，现有的无人机自主着陆/着舰导航方法有:全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、视觉导航系统以及各种方式组成的组合导航系统。当前，在无人飞行器导航和着陆导引中，应用最多的是利用GPS/SINS组合导航系统结合高度表来完成，SINS表示捷联惯导系统。其中GPS受国外限制，当被关闭或干扰时，着陆/着舰系统的安全性和可靠性受到很大影响；惯性导航存在误差随时间无限增加的问题，这都将给着舰系统带来严峻的考验，致使着舰失败。所以拥有自主控制的导航和着陆/着舰导引系统，才能满足战时无人飞行器的要求。事实上，无人飞行器全天候自主导航和着陆/着舰也是目前世界上众多国家迫切需要解决的关键问题之一。国内对无人机自主着陆/着舰系统展开了深入研究并取得了一定的成果。邱力为等人通过理论分析和计算机半实物仿真研究了一种应用于无人直升机自主着舰的双目立体视觉技术，该方法主要用于近距离(3 15m)探测着陆，成像的清晰度和分辨率都很高。针对无人直升机着陆，张广 军、周富强等人提出了采用基于双圆特征的着陆位置姿态视觉测量方法来实现着陆点定位，并且进行了仿真验证，该方法快捷，但是同样要求合作目标成像清晰度和分辨率很高。此外，徐贵力、程月华等人提出一种基于红外扫描和视觉的着陆系统，虽然可以通过激光大距离大范围扫描搜索着陆点，但是隐蔽性差。目前，国外基于计算机视觉的着陆方案的研究中，主要有两种方法进行导航信号的获取。一种是通过识别跑道图像，提取跑道或附近的已知相对位置的特征点，从而计算飞机相对跑道的位置和方向。另一种方法是通过已知机载的跑道三维模型资料库，假设某个观察点，生成期望的跑道合成透视图像，与用机载摄像机拍摄到的实际跑道图像对照，逼近到一定的误差范围内，从而得出机载摄像系统，即飞机的位置。美国很多大学和研究机构，都利用微型直升机，开展了基于计算机视觉的自主精确着陆的研究，并取得了一些成果。同陆基飞机相比，无人机/舰载机的着舰更加复杂和困难。航空母舰虽然庞大，但同汪洋大海相比也不过是沧海一粟，无人机/舰载机要降落在这样一个“狭小”的地方难度可想而知。另外，在跌宕起伏的大海上，航母时时刻刻的六自由度扰动(纵摇、横摇、艏摇、起伏、纵荡和横荡)、异常复杂的大气紊流(除了同陆上相同的大气紊流外，还有舰尾处较强的公鸡尾状的尾流等)，以及极其有限的甲板长度等等，都对无人机/舰载机着舰提出了更高的要求。因此，为了能使无人机/舰载机能在极其恶劣及有限的条件下实现安全、精确地自主着舰，必须采取一定的技术措施使无人机/舰载机更加有效的获取舰船、甲板跑道及降落定位点的信息，并且能够根据所获取的信息实时、快速的检测出目标点的特征。在视觉导航中，合作目标的设计是导航系统中的关键。合作目标设计直接关系到导航信息的精度和实时性，对无人机获取精确的跑道信息来完成安全的自主着舰起到至关重要的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高无人机自主着舰的安全性和成功率，通过在舰船上合理设计和预设合作目标，利用计算机视觉快速识别合作目标实现无人机自主着舰。本专利技术提供的，具体步骤如下:第一步，设计合作目标，合作目标的设计内容包括:合作目标的形状、合作目标的尺寸、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率。所设计的合作目标形状为“T”形，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边，弓丨导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称，在合作目标的质心位置设置定位点。合作目标的外表 面涂有鲜艳的红色红外涂料。在舰船跑道两侧设置3个合作目标A、B和C，三个合作目标的引导边都平行于跑道，A和B关于跑道对称分布，A和B的定位点的间距为Cl1 ；B和C的连线平行于跑道，B和C的定位点的间距为d2。第二步，设计合作目标识别方案。该方案中包括三个阶段:第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位。本专利技术方法的优点和积极效果在于:(I)设计的合作目标便于识别，鲁棒性高；(2)设计的合作目标便于定位；(3)利用三个合作目标的质心实现对舰船跑道的精确定位；因此，使用本专利技术方法能提高无人机自主着舰的安全性和可靠性，可利用计算机视觉快速识别合作目标实现无人机自主着舰。版图说明附图说明图1是本专利技术用于无人机自主着舰的合作目标的设计与识别方法的整体步骤图；图2a是本专利技术步骤一中所设计的合作目标的形状示意图；图2b是本专利技术实施例中设计的合作目标的形状和尺寸示意图；图3是本专利技术的三个合作目标在舰船上的布置位置示意图；图4是合作目标B检测失败时确定着舰位置P的示意图；图5是本专利技术步骤二合作目标识别的整体流程图。具体实施例方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。本专利技术的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤:第一步，设计合作目标，合作目标的设计内容包括:合作目标的形状设计、合作目标的尺寸设计、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率设计。具体设计步骤如下:( I)设计合作目标的形状本专利技术依据结构简单、便于识别、具有方向引导性、仿射变换条件下便于准确定位的原则，将合作目标设计成“T”，如图2a所示。该合作目标具有引导边、定位边及定位点，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边。引导边长设计为2a，定位边长设计为4a，引导边和定位边的宽度相同，都设计为a。引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称。其中定位边用来确定合作目标放置在舰艇上的位置；引导边用来引导无人机自主着舰的方向；定位点用作对无人机着舰过程中对合作目标的定位，定位点位于合作目标的质心位置，具有仿射不变性。利用图像分割获取合作目标后，直接计算前景区的质心位置，即可获得定位点。操作简便、计算快捷。(2)设计合作目标的尺寸合作目标尺寸的设计原则是探测距离为500m时能够进行形状识别、便于在舰艇上安放。本专利技术是采用红外相机获取合作目标的红外图像，然后对红外图像进行处理。假设选用红外相机的空间分辨率9为0.65mrad，S为探测距离(单位Km)，设合作目标的引导边的长度2a与定位边的宽度a的和为D，D可以根据下式来确定。D = 3.5SX0/入为经验值，一般取0.6 0.9，本专利技术实施例中取0.75。S = 0.5时，D = 1.52m ;取D = 1.5m。根据合作目标的形状，3a=D，则如图2b所示，合作目标的定位边长为lm，引导边长为2m，引导边和定位边的宽度都设计为0.5m。(3)合作目标的位置布置设计本专利技术为了提高对合作目标的识别率，准确确定跑道的位置，共在舰船无人机跑道两侧布置三个 合作目标A、B和C。合作目标A位于降落跑道的左侧，合作目标B和C位于降落跑道的右侧。合作目标A、B和C的引导边都平行于跑道。合作目标A和B关于跑道对称，合作目标B和C的连线平行于跑道。A和B的定位点的间距为屯，B和C的定位点的间距为d2。如图3所示。间距Cl1和(12依据跑道的宽度和长度来设置合理的数值。合作目标布置在舰船上的主要步骤如下:1.在航母甲板上首先确定三个定位点；2.以定位点为中心，垂直跑道方向画一条2m直线；3.将本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：设计合作目标，设计内容包括：合作目标的形状、合作目标的尺寸、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率；所设计的合作目标的形状为“T”形，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边，引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称，在合作目标的质心位置设置定位点；合作目标的外表面涂有红色红外涂料；在舰船跑道两侧设置三个合作目标A、B和C，三个合作目标的引导边都平行于跑道，A和B关于跑道对称分布，B和C的连线平行于跑道；步骤2：设计合作目标识别方案，该方案中包括三个阶段：第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位。
【技术特征摘要】
1.一种用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1:设计合作目标，设计内容包括:合作目标的形状、合作目标的尺寸、合作目标的位置布置、合作目标的颜色、辐射波段及功率； 所设计的合作目标的形状为“T”形，“T”形的竖直边为引导边，横向边为定位边，引导边和定位边互相垂直且整个合作目标在竖垂直方向上轴对称，在合作目标的质心位置设置定位点；合作目标的外表面涂有红色红外涂料；在舰船跑道两侧设置三个合作目标A、B和C，三个合作目标的引导边都平行于跑道，A和B关于跑道对称分布，B和C的连线平行于跑道； 步骤2:设计合作目标识别方案，该方案中包括三个阶段:第一个阶段是5000米远距离舰船位置探测；第二个阶段是1000米中距离跑道平面定位；第三个阶段是500米近距离着舰位置定位。2.根据权利 要求1所述的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，步骤I所述的“T”形合作目标，其引导边的长度设计为2a，定位边的长度设计为4a，引导边和定位边的宽度都设计为a ;定位边用来确定合作目标放置在舰艇上的位置，引导边用来引导无人机自主着舰的方向，定位点用作在无人机着舰过程中对合作目标的定位。3.根据权利要求1或2所述的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，步骤I所述的合作目标的尺寸为:引导边长为lm，定位边长为2米，定位边和引导边的宽度都为0.5m。4.根据权利要求1或2所述的用于无人机自主着舰的合作目标设计与定位方法，其特征在于，步骤I所述的合作目标尺寸，根据公式:D =...
【专利技术属性】
技术研发人员：李红光，丁文锐，袁永显，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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